Download - 7.3 功率放大电路
7.3功率放大电路 功率放大电路在多级放大电路中处于最后一级,
又称输出级。其主要作用是输出足够大的功率去驱动负载,如扬声器、伺服电机、指示表头、记录器等。功率放大电路要求:输出电压和输出电流的幅度都比较大;效率高。因此,三极管工作在大电压、大电流状态,管子的损耗功率大,发热严重,必须选用大功率三极管,且要加装符合规定要求的散热装置。由于三极管处于大信号运用状态,不能采用微变等效电路分析法,一般采用图解分析法。
1. OCL互补对称功率放大电路 OCL 互补对称功率放大电路全称为无输出电容的互补对称功率放大电路,简称为 OCL 电路,电路如图 7.36所示。
图 7.36 OCL 功率放大电路
7.3.1互补对称功率放大电路
(1) 静态分析 当 ui=0 时,因电路上下对称,静态发射极电位 UE=0 ,
负载电阻 RL 中无电流通过, u o=0 。因三极管处于微导通状态,所以两管的 IB≈0 、 IC≈0 、∣ UCE =∣ ∣UCC∣,基本无静态功耗。
(2) 动态分析 为便于分析,将图 7.36 简化为图 7.37(a) 所示的原理
电路,且暂不考虑管子的饱和管压降 UCES 和 b 、 e 极间导通电压 UBE 。
(a) 电路原理电路图 ( b )输入波形 ( c )输出波形 图 7.37 简化 OCL 功率放大电路
在 ui 正半周, V2 导通、 V3 截止, +UCC 通过 V2 向 RL
供电,在 RL 上获得跟随 ui 的正半周信号电压 uo ,即( uo
≈u i ); 在 ui 负半周, V2 截止, V3 导通, -UCC 通过 V3 向 RL
供电,在 RL 上获得跟随 ui 的负半周信号电压 uo 。 负载 RL 上输出如图 7.37(c) 所示。 由上分析可知:输出电压 uo 虽未被放大,但 由于 iL= ie=
( 1+β ) ib ,具有电流放大作用,因此具有功率放大作用。
图 7.38 OCL 电路图解分析波形图
从图中可知, uCE1=UCC-uo 、 uCE2= -UCC-uo ,其中 uo
在任一个半周期内为导通三极管的 uce ,即 uo= - uce=ui 。通常要求功率放大电路工作在最大输出状态,输出电压幅值为 uom(max)=UCC-UCES≈UCC ,此时,截止管承受的最大电压为 2UCC 。当功率放大电路工作在非最大输出状态时,输出电压幅值为 Uom=IomRL=Ucem=Uim ,其大小随输入信号幅度而变。这些参数间的关系是计算输出功率和管耗的重要依据。
(3) 参数计算 ① 最大输出功率 Pom
最大的输出功率为: Pom= IomUom= =
当功率放大器工作在非最大输出状态时,输出功能率为:
Po = IomUom= =
L
om
RU 2
L
CC
RU 2
21
L
om
RU 2
L
im
RU 2
21
21
21
21
21
② 直流电源供给的功率 PU
在一个周期内电源向两个功放管提供的直流功率 PU
为: PU =
当功率放大器工作在最大输出状态时,两个直流电源供给的总功率为 :
PUm=
2
CCL
om UR
U
L
CC
RU 22
③ 效率 η
η= 当功率放大电路工作在最大输出状态时,效率为 :
η= = 78.5%
实用中三极管 UCES , UBE 等是客观存在的,因此,功率放大电路实际效率约 60% 。
U
o
PP
422
2
2
L
CC
L
CC
Um
om
RUR
U
PP
④ 三极管管耗 PV
直流电源供给的功率与输出功率的差值,即为两只三极管上的管耗,所以每只管子的管耗为
PV = (PU – Po)
功率放大电路工作在最大输出状态时的管耗,并不是最大管耗,每只三极管的最大管耗约为 0.2Pom 。
21
[ 例 8] 在图 7.36 所示电路中, UCC1= UCC2= UCC=24
V ; RL=8Ω ,试求: 10 当输入信号 Ui=12V( 有效值 ) 时,电路的输出功
率、管耗、直流电源供给的功率及效率。 20 输入信号增大至使管子在基本不失真情况下输出
最大功率时,互补对称电路的输出功率、管耗、电源供给的功率及效率。
30 晶体管的极限参数。
解: 10 在 Ui=12V 有效值时的幅值为: Uim= Ui≈17V ,即 Uom≈Ui=17V 。故 Po= = =18.1W
PU = = × =32.5W
PV = PU – Po = 32.5 – 18.1 = 14.4W
η = = =55.7%
2
21
L
om
RU 2
817
21 2
2
CCL
om UR
U2 24
817
U
o
PP
5.321.18
20 在最大输出功率时,最大输出电压为 24V 。 Pom= = × =36W
PUm= = =45.8W
PV = PU – Po= 45.8 - 36 = 9.8W ( 此时两管的功耗并不是最大功耗 )
η= = 78.5%
21
L
CC
RU 2
L
CC
RU 22
8242 2
8.4536
Um
om
PP
21
8242
30 晶体管的极限参数 PCM≥0.2Pom=0.2×36=7.2W( 每一管 )
U(BR)CEO≥2UCC=2×24 = 48V
ICM ≥ = 3A824
L
CC
RU
( 4 )交越失真 交越失真的波形如图 7.39 所示 。
图 7.39 交越失真波形 解决交越失真的办法是为三极管 V2 、 V3 提一个合适
的静态工作点,使三极管处于微导通状态,如图 7.36 中的 V4 、 V5 。
2 . OTL 互补对称功率放大电路 OTL 互补对称功率放大电路全称为无输出变压器的功率放大电路,简称为 OTL 电路,如图 7.40 所示。
图 7.40 OTL 功率放大电路
(1) 各元件作用 V1 为功放管提供推动电压; RP1 、 RB1 、 R B2 为 V1
提供静态工作点,同时还可使 UK=1/2UCC ; V2 V3 、 V4V5
为两只复合三极管,分别等效为 NPN 和 PNP 型。 V6 、V7 、 RP2 为 V2V3 、 V4V5 提供合适的静态工作点,调节 R
P2 可以改变静态工作点; Co 为输出耦合电容,一方面将放大后的交流信号耦合给负载 RL ,另一方面作为 V4 、 V
5 导通时的直流电源,因此要求容量大,稳定性高。 C1 、R1 为自举电路。
(2) 工作原理 ui 为负半周时, V1集电极信号为正半周, V2 、 V3 导通,
V4 、 V5 截止。在信号电流流向负载 RL 形成正半周输出的同时向 Co充电,使 UCo=1/2UCC 。
ui 正半周时, V1集电极信号为负半周, V2 、 V3 截止,V4 、 V5 导通。此时, Co 上的 1/2UCC 与 V4 、 V5 形成放电回路,若时间常数 RLC远大于输入信号的半周期,则电容上电压基本不变,而流过管子和负载的电流仍由基极控制,这样在负载上获得负半周输出信号,于是负载上获得完整的正弦信号输出。
(3) 参数计算 OTL 电路与 OCL 电路相比,每个功放管实际工作电源电压为 1/2UCC ,因此将( 7.37 )~( 7.43 )中 UCC 用 1/2UCC替换即得相应的参数计算公式。
[ 例 9] 在图 7.41 所示电路中,已知: RB1=22kΩ 、 RB2
=47kΩ 、 RE1=24Ω 、 RE2= RE3=0.5Ω 、 R1=240Ω 、 RP=470Ω 、RL=8Ω , V2 为 3DD01A 、 V3 为 3CD10A , V4 、 V5 为 2CP 。试求:
10 最大输出功率 20 若负载 RL 上的电流为 iL=0.8sinωt ( A )时的输出功率和输出电压幅值。
图 7.41 [ 例 9] 的电路图
解: 10 最大输出功率 Pom= =9W
20 输出功率 Po= =2.56W
输出电压幅值 U om=0.8 ×8=6.4V
812
21)
21(
21 2
2
L
CC
R
U
88.021 2
7.3.2集成功率放大器 1. 音频集成功率放大器 (1) SL 4112
SL 4112 的外形及管脚如图 7.42 所示。该集成功放有 14 只引脚,内部设有静噪抑制电路,因而接通电源时爆破噪声很小。它具有电源电压范围宽,降压特性良好等优点,适用于各种收录机。主要参数为:电源 9V 、输出功率 2.3W 、输入阻抗 20kΩ 、电压增益 68dB 、谐波失真 2% 。
图 7.42 SL 4112引脚图 图 7.43 SL 4112应用电路
(2) TDA 2030
TDA 2030 的外形及引脚如图 7.44(a) 所示。该集成功放只有 5 只引脚,它接线简单,既可以接成 OCL
电路,又可以接成 OTL 电路,广泛应用于音响设备中。其内部设有短路保护电路,具有过热保护能力。主要参数为:电源 6~18V 、输出功率 9W 、输入阻抗 5MΩ 、电压增益 30dB 、谐波失真 0.2% 。 TDA 2030 的典型应用电路如图 7.44(b) 所示。
(a) (b)
图 7.44 TDA 2030 应用电路
2. 双音频集成功率放大器 (1) BTL 电路 BTL 功率放大器,其主要特点是在同样电源电压和负载电阻条件下,它可得到比 OCL或 OTL 电路大几倍的输出功率,其工作原理图如图 7.45 所示。 图 7.45 BTL 原理电路
静态时,电桥平衡,负载 RL 中无直流电流。动态时,桥臂对管轮流导通。在 ui 正半周,上正下负, V1 、V4 导通, V2 、 V3 截止,流过负载 RL 的电流如图中实线所示;在 ui 负半周,上负下止, V1 、 V4 截止, V2 、V3 导通,流过负载 RL 的电流如图中虚线所示。忽略饱和压降,则两个半周合成,在负载上可得到幅度为 UCC
的输出信号电压。
(2) LM378 LM378 的外形及管脚如图 7.46 所示。主要参数为:电源 10~35V 、输出功率 4W/ 信道、输入电阻 3kΩ 、电压增益 34dB 、带宽 50kHz 。
图 7.46 LM378引脚图
① 反相立体声放大器 反相立体声放大电路如图 7.47 所示。
图 7.47 简单反相立体声放大器
② 桥式结构单放大器 桥式结构单放大电路如图 7.48 所示。
图 7.48 BTL 电路
(3) TDA 1519
TDA 1519 的外形及管脚如图 7.49 所示。内部设有多种保护电路 ( 负载开路、 AC 及 DC 对地短路等 ) ,并有静噪控制及电源等待状态等功能。它在双声道工作时只要外接 4 只元件, BTL 工作时只要外接 1 只元件,无需调整就能满意地工作。主要参数为:电源 6~18V 、输出功率 5.5W(单声道, RL=4Ω) ~ 22W(BTL , RL=4Ω) 、电压增益 40dB(立体声 ) ~ 46dB(BTL) 、谐波失真 10% 。
TDA1519典型应用电路如图 7.50 所示。
图 7.49 TDA1519引脚图
(a) 立体声电路 (b) BTL 电路 图 7.50 TDA1519典型应用
3.场输出集成功率放大器 场输出集成功率放大器是用于显示器、电视机场扫描电路的专用功率放大器,内部采用泵电源型 OTL 电路形式,封装一般为单列直插式。
(1) 泵电源电路 图 7.51 所示为 IX0640CE 和外围元件组成的场输
出电路。图中 V4 、 V5 、 V6 、 V7 及外接元件 V8 、 C
构成泵电源电路。
图 51 IX0640CE组成的场输电路
在场输出锯齿波正程期内,电源通过 V8 及 V6 对 C充电, C 两端电压很快充到 UCC ,极性为上正下负。 在场输出锯齿波逆程期间,电源电压 UCC 与电容 C 上的电压串联供电,场输出级电源电压上升为 2UCC ,实现了泵电源供电,即在场扫描正程期间采用低电压供电,而在逆程期间采用高电压供电。 (2) 应用电路 IX0640CE 的外形及引脚如图 7.52 所示。
图 7.52 IX0640CE引脚图
图 7.53(b) 为 TDA8172 的应用电路,场锯齿波信号经 RP1 、R2 从 P1脚进入集成功放,调节 RP1 可以改变场幅; RP2 、 C
2组成微分电路,由于 C2 和 C3 的存在对锯齿波中的高频分量分流作用大,对低频分量分流作用小,因此它们构成预失真,以使场偏转线圈中锯齿波电流线性良好; R3 、 R4构成直流反馈,可稳定工作点, C3 用来滤除反馈信号中的交流成分;R5 、 R6 为交流电流负反馈,改善锯齿波电流线性; V1 、 C1
同内部电路构成逆程泵电源,实现自举升压;放大后的锯齿波信号从 P5脚输出,送场偏转线圈, C4 是输出耦合电容。
IX0640CE 的应用电路如图 7.51 所示。场锯齿波信号从 P4进入集成功放后首先加在 V1 的基极,经过 V1 放大后推动 V2 、 V3组成的互补推挽场输出电路,再从 P2脚输出送场偏转线圈,实现功率放大。
TDA8172 的外形及引脚如图 7.53(a) 所示。
图 7.53(a) TDA8172引脚图
图 7.53(b) TDA8172组成的场输出电路
本章小结 一、放大电路中“放大”的实质,是通过三极管(或场效应管)的作
用进行能量转换,即将直流电源的能量转换为负载获得的能量。放大电路的组成原则是必须有电源,核心元件是三极管(或场效应管),要有合适的静态工作点,并保证放大电路在放大信号的整个周期,三极管(或场效应管)都工作在特性曲线的线性放大区。放大电路工作时,电路中各电压、电流值是直流量和交流量叠加的结果。电路分析由静态分析和动态分析两部分组成。静态分析借助直流通路,用估算法或图解法确定静态工作点。动态分析借助交流通路,用图解法或微变等效电路法确定电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态性能指标。常用的稳定工作点电路有射极偏置电路 ( 基极分压式偏置电路 ) 、集基耦合电路和温度补偿电路。
二、共集电极电路由于输入电阻高,输出电阻低,并具有电压跟随特性,广泛应用于输出级或隔离级。共基极电路由于频率特性好,常用于高频放大。阻容耦合多级放大电路,由于各级放大电路的静态工作点互不影响,调试方便,常被用来进一步提高放大倍数,但计算每级放大倍数时应考虑前、后级之间的相互影响。场效应管放大电路的分析方法和步骤与三极管放大电路类似,各种类型的放大电路与相应的三极管放大电路具有类似的特点,只是模拟电路中多用结型和耗尽型 MOS 管,而增强型 MOS 管则多用于数字电路。
三、 OCL 电路采用双电源供电。 OTL 电路采用单电源供电,但需要一个大容量输出耦合电容。电路中,两只功放管分别在正、负半周交替工作。当输入信号一定时,能使输出信号幅度 Uom 基本上等于电源电压 UCC 而又不失真的负载称为功放电路的最佳负载。此时功放电路输出最大功率,具有最高的转换效率,但两管的功耗不是最大。由于集成功放外接元件少,电路结构简单,应用越来越广泛,使用时应注意正确选择型号,识别各引脚的功能。当需要进一步提高输出功率时,可将两个 OC
L 电路连接成 BTL 电路形式。